레이저 스페클 간섭법을 이용한 복합재료 내부결함깊이에 따른 정량평가

Abstract

탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics, 이하: CFRP)은 선진복합재의 대표적인 재료로써 강판재료에 비하여 비강성, 비강도가 크기 때문에 구조경량화가 요구되는 항공우주분야를 비롯하여 선박, 자동차, 의료기기, 일반 산업분야, 스포츠 레저 등의 구조용 재료로 널리 사용되고 있다. 그러나 CFRP는 적층재로 이용되는 경우가 많고, 저에너지 충돌시 표면에서는 거의 관찰할 수 없는 층간박리, 모재크랙에 의해 내부 손상이 발생되고, 충격에너지에 의해 손상이 증가하면 구조부재로써의 역할을 수행할 수 없으며 이러한 손상해석은 CFRP 적층판의 안전설계에 있어 매우 중요한 문제로 제기되고 있다. 현재 복합재료 구조물의 내부 결함과 접착분리를 평가하는 방법으로는 초음파, 방사선, 열화상 등을 이용한 방법들이 널리 사용되고 있으나, 실제 구조물이나 복잡한 기하학적 형상을 갖는 구조물에는 적용이 곤란한 경우가 많다. 그렇기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위하여 현재 ESPI(Electronic Speckle Pattern Interferometry)를 이용한 복합재료 구조물의 결함검출에 관한 연구가 활발히 진행중이다. 하지만 ESPI를 이용한 방법은 CFRP 복합재 결함의 최고근접 계면에 대한 박리결함의 검출사례는 많은데 반하여, 계면의 차수 증가에 따른 측정 사례는 미비하다. 본 연구에서는 ESPI를 이용하여 복합재료 구조물에 발생할 수 있는 복합재료 적층판의 층간분리 결함을 검출해보고, 결함의 각 계면별 차수에 따른 결함의 크기를 예상하며, 복합재료 구조물의 결함에 대한 빠르고 정확한 방법론을 택하였다. 본 연구를 통하여 ESPI를 이용하여 충격손상을 받은 CFRP 적층판의 각 계면별 박리결함 크기를 정량적으로 평가할 수 있었으며 4계면을 갖는 CFRP 적층판의 경우 계면별 박리결함의 크기는 어느 정도 상관관계에 있으므로 앞, 뒷면을 각각 측정하여 남은 2,3차 계면의 박리결함을 어느정도 예측할 수가 있었다. 이는 향후 더 많은 실험을 통한 데이터 베이스 구축으로 고유한 박리결함 형태의 곡률 등을 감안하여 보다 정확한 결함크기를 유도해 낼 수 있으리라 기대된다. 결함의 크기를 정량화하는 2가지 방법 중 실제 결함 크기와의 오차율은 2차원 이미지를 판독하여 얻어낸 결과 값이 1차 도함수를 이용한 방법보다 훨씬 적었지만 결함의 정량화가 아닌 단순한 결함유무의 판단만을 필요한 경우에는 1차 도함수를 이용한 방법이 검사시간 면에서 유리했으며 단순히 앞면만을 검사할 때는 그보다 깊은 계면의 박리결함이 매우 미미하게 나타나거나 심지어 측정되지 않았다. 이는 단순히 표면만을 검사하기 때문이며, 표면으로부터의 최고 근접 계면으로부터 계면 차수가 증가할수록 오차율이 커지기 때문이라고 판단된다. ESPI를 이용한 복합재 박리결함 검사는 비접촉과 동시에 전면검사로써 검사시간을 획기적으로 단축할 수 있다고 기대된다.|The problem of delamination/failure of composite material structure due to impact has been acknowledged by designers and aerospace industry. Non-destructive techniques in composite material structure are important in evaluating reliability of composite structure. There are many approaches by which the inside defects can be determined qualitatively and quantitatively. Ultra sonic testing may not produce sufficiently accurate results for the evaluation of the detailed defects because of the complexity of the stacking angle and because of the uncertainties in the composite material property. Recently, Laser application techniques for non-destructive testing are developed and electronic speckle pattern interferometry (ESPI) among the techniques is attended for composite material structure because of non-contact, whole field and non-destructive merit. However, quantitative evaluation of defect size in each interlaminar by the technique has been difficult problem. This research develops the quantitative evaluation technique for inside delamination of impact-damaged composite plate. In order to extract the quantitative results, 2D displacement distribution and the first derivate of displacement are analyzed and defect sizes in each interlaminar are estimated from defect size in front and backside. In two approaches for quantitative evaluation, 2D displacement distribution analysis technique gives more accurate results than the first derivate of displacement technique. In the case of impact-damaged composite plate with 4 interlaminar, defect in the second and third interlaminar is estimated with good agreement from inspection result in front and backside. And also, with result only at the front of the specimen may give the failure of inspection because there are inside delamination defects too larger than the detected surface defect. Results of the front and backside of structure for efficient inspection must be compared and defect at each interlaminar from two results can be estimated quantitatively. The proposed ESPI technique for quantitative evaluation of inside delamination in composite material structure is expected as the advanced non-destructive testing method with the merits of time-saving and non-contact